Нидерландские физики построили установку, в которой происходит непрерывная загрузка и поддержка конденсата Бозе — Эйнштейна в течение неограниченно долгого времени. Она служит материальноволновым аналогом активной среды лазера с непрозрачными зеркалами. Это значит, что в будущем на ее основе можно будет создать непрерывный атомный лазер, испускающий луч когерентной материи. Исследование опубликовано в Nature.
Лазеры можно отнести к одному из самых важных изобретений, сделанных в физике. Воздействие лазерного света на вещество отличается согласованностью всех фотонов (физики называют ее когерентностью), что позволяет получить качественно новый результат. При этом различают импульсные и непрерывные лазеры. Первые полезны тогда, когда всю энергию лазера нужно сконцентрировать в как можно более короткую вспышку, чтобы получить наибольшую интенсивность. Вторые же используются в ситуациях, где требуется стабильность и узкие спектральные линии, например, в сенсорах или атомных часах.
Такой успех побудил ученых воспроизвести те же физические принципы и на других типах волн. Хоть и не сразу, но им удалось создать звуковые лазеры — сазеры. В некотором роде материальноволновым аналогом лазерного луча можно также считать конденсат Бозе — Эйнштейна. Как и в случае с фотонами, частицы в конденсате занимают одно и то же состояние и обладают когерентностью. Принципиальная разница между ними в том, что частицы в конденсате (атомы или квазичастицы), как правило, обладают массой, из-за чего конденсат обычно изучают в состоянии покоя, в отличие от лазерного луча, летящего со световой скоростью.
Традиционно конденсат создают в результате единовременного охлаждения и пленения атомного газа в ловушках, после чего тот постепенно рассеивается. При желании конденсат можно хорошенько разогнать, тогда он будет по-настоящему похож на летящий лазерный импульсу. Однако для нужд атомной интерферометрии было бы полезно создать непрерывный материальноволновой когерентный луч из бозе-конденсата, но пока никто не смог этого добиться, хотя физики активно над этим работают. Для достижения цели им нужно решить две задачи: своевременно пополнять луч холодными атомами, а также поддерживать его когерентность.
Первыми с этим справились нидерландские физики под руководством Флориана Шрека (Florian Schreck) из Амстердамского университета. Они продемонстрировали технику, позволяющую непрерывно поддерживать и подпитывать конденсат Бозе-Эйнштейна. Созданную авторами систему можно считать материальноволновым аналогом активной среды лазера с непрозрачными зеркалами. В будущем на ее основе можно будет создать непрерывный атомный лазер.
Эксперимент физиков начинался с того, что пучок атомов стронция-84 покидал источник и остывал по дороге в системе многоступенчатого лазерного охлаждения до микрокельвиновых температур. Атомы на скорости около 10 сантиметров в секунду останавливались зеемановским замедлителем и попадали в длинную оптическую ловушку-резервуар с эллиптическим профилем (14,5 на 110 микрометров) и небольшим углом (6 градусов) по отношению к пучку.
Не переставая лазерно охлаждать атомы, физики фокусировали в середину резервуара еще один луч с размером перетяжки, равным 27 микрометрам, который создавал дополнительную потенциальную ямку в широкой яме резервуара. Благодаря своей большой глубине, она служила областью, в которой образовывался конденсат. Однако это невозможно было бы без третьего (если не считать охлаждающих) луча, который ученые назвали лучом прозрачности. Дело в том, что охлаждающий свет, хоть и уменьшает температуру газа, деструктивно влияет на конденсат. Луч прозрачности сильно смещал энергетические уровни атомов, попавших в ямку, мешая им взаимодействовать с лазерным охлаждением. Они, тем не менее, охлаждались за счет упругого взаимодействия с атомами в резервуаре. Ямка притянула на себя почти половину атомов в резервуаре: 69 тысяч против 73 тысяч, соответственно.
Чтобы доказать, что атомы в ямке сконденсировались, физики выжидали некоторое время после начала процесса, затем выключали лазеры и через 18 миллисекунд фотографировали пространство резервуара. Начиная с 2,5 секунды, они стали видеть в области ямки уплотнение, которое было традиционным маркером конденсата. Количество сконденсированных атомов росло со временем и после 3,2 секунды вышло на плато, равное примерно 7 тысячам атомов. Ученые показали, что это число поддерживалось постоянным в течение минуты благодаря балансу между вновь поступающими в резервуар атомами стронция и потерями, вызванными трехчастичной рекомбинацией. По мнению авторов исследования, такой конденсат можно поддерживать бесконечно долго, а добавление к резервуару системы непрерывного оттока превратит его в непрерывный материальноволновой лазер.
Оптика волн материи развивается семимильными шагами. Недавно мы рассказывали, как физики применили материальноволновую лупу к квантовому газу.
Марат Хамадеев
Ученые проанализировали следы на 36 статуях
Китайские ученые проанализировали 79 отпечатков пальцев, хорошо сохранившихся на 36 терракотовых воинах из знаменитого мавзолея Цинь Шихуанди. Они обнаружили, что чуть меньше половины следов оставили взрослые мужчины, а все остальные отпечатки, по-видимому, принадлежали женщинам и подросткам или детям. Как сообщается в статье, опубликованной в Journal of Cultural Heritage, полученные данные опров…